Проектирование оснований и фундаментов

Введение

Любое инженерное сооружение состоит из надземной части и фундамента, расположенного ниже уровня отметки поверхности земли. Основное назначение фундамента - передача нижележащему грунту давление от собственного веса конструкций и действующих на него нагрузок. Массив грунта, воспринимающий давления от нагрузки фундамента называется основанием. В результате от приложенных нагрузок и собственного веса, основания претерпевают вертикальные и горизонтальные перемещения.

Проектирование оснований и фундаментов заключается в выборе основания, типа, конструкции и основных размеров фундамента, и в совместном расчете основания и фундамента как одной из частей сооружения. Основание, фундамент и надземная конструкция неразрывно связаны между собой, взаимно влияют друг на друга и должны рассматриваться как единая система.

Деформации и устойчивость грунтов основания зависят от особенности приложения нагрузки, от размеров и конструкции фундаментов и всего сооружения. В свою очередь, основные размеры, конструкция фундамента и конструктивная схема сооружения назначаются в зависимости от геологического строения строительной площадки, сжимаемости слагающих ее грунтов, а также от давлений, которые грунты могут воспринять.

1. Задание на проектирование

Нормативные нагрузки на обрезах фундаментов

Фундамент по осям А и Г: =230кН/м.

Фундамент по оси Б (под колонны): =740кН/м; =84кН/м.

Фундамент по оси В: =260кН/м.

Инженерно-геологические условия площадки

Характеристики грунтов

2. Анализ инженерно-геологических условий площадки

2.1 Определение наименования грунтов и табличных значений расчётного сопротивления

Первый слой (№ 11)

Число пластичности:

,

Где: w_L - влажность на границе текучести, %;

w_p - влажность на границе раскатывания, %.

По таблице 2.6 [1] т. к. I_p=21 %>17, то грунт по содержанию пылевато-глинистых частиц относится к глинам.

Показатель текучести:

-       выше у. г. в:

-       ниже у. г. в:

Где: w - естественная влажность, %;

w, w_p, w_L - подставляются в %.

Выше у. г. в:

т. к. 0 ≤ I_L ≤ 0,25 = 0 ≤ 0,057 ≤ 0,25 по таблице 2.2 [1] определяем, что консистенция глины - полутвердая.

Ниже у. г. в:

т. к. 0,5 ≤ I_L ≤ 0,75= 0,5 ≤ 0,6 ≤ 0,75 по таблице 2.2 [1] определяем, что консистенция глины - мягкопластичная.

Коэффициент пористости:

-       выше у. г. в:

,

-       ниже у. г. в:

,

где: - плотность сухого грунта

- плотность твердых частиц грунта, г/см³,

- природная влажность грунта в долях единицы,

- плотность грунта ненарушенной структуры, г/см³.

Степень влажности:

-       выше у. г. в:

,

-       ниже у. г. в:

,

где: - плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Второй слой(№ 6)

Коэффициент пористости:

,

Степень влажности:

.

Пылеватый рыхлый песок, насыщенный водой

Третий слой(№ 1)

Коэффициент пористости:

,

Степень влажности:

,

Песок гравелистый, рыхлый, насыщенный водой.

2.2 Определение нормативной и расчётной глубины промерзания

Нормативная глубина промерзания для глины в городе Астана:

,

где: d₀ - коэффициент корректировки глубины промерзания грунта для глины;

М_t - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе.

Расчётная глубина промерзания:

где: - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания, принимаемый для наружных фундаментов отапливаемых зданий с подвалом и безподвалов, равный 0,6 и 0,7 соответственно.

.3 Определение расчетных нагрузок и расчетных характеристик грунтов

фундамент строительный подошва свайный

Основания зданий и сооружений рассчитываются по двум группам предельных состояний. Все расчеты производим на расчетные значения нагрузок. Расчетные значения нагрузок получаем путем умножения нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке γ_f (в данном курсовом проекте принимаем равный 1).

Расчеты оснований выполняем с использованием расчетных значений характеристик грунтов Х:

,

где: - нормативное значение данной характеристики для каждого слоя грунта,

- коэффициент надежности по грунту.

3. Проектирование фундаментов на естественном основании

.1 Определение глубины заложения подошвы фундамента

Минимальная глубина заложения фундаментов по конструктивному соображениям для подвальной части здания:

где: - глубина заложения от уровня планировки.

Фундаменты под внутренние стены, колонны и наружные стены здания можно закладывать на различной глубине, но при этом допустимая разность отметок заложения соседних фундаментов - , определяемая по формуле:

,

где: - расстояние между фундаментами в свету,

- расчетные значения соответственно угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта,

- среднее давление под подошвой вышерасположенного фундамента от расчетных нагрузок

Первый слой:

Второй слой:

Третий слой:

.2 Предварительное определение подошвы фундамента

При выбранной глубине заложения подошвы фундамента ее площадь А, м², можно предварительно определить по формуле:

,

где: N_0II - расчетная нагрузка на погонный метр ленточного фундамента или на фундамент под колонну, кН;₀ - расчетное сопротивление грунта несущего слоя, кН/м²;- глубина заложения подошвы фундамента, м;

γ_m - удельный вес материала фундамента (γ_m = 24 кН/м³);

β - коэффициент, учитывающий меньший удельный вес грунта по сравнению с удельным весом материала фундамента;

n - коэффициент, учитывающий влияние момента внешних сил, принимаемый равным, для внецентренно загруженных фундаментов под колонны n =1,1…1,2, для ленточных фундаментов n =1.

В практических расчетах средневзвешенное значение удельного веса фундамента, грунта на его обрезах и прилегающей конструкции пола принимают равным γ_mt = β γ_m = 20 кН/м³.

-       Под колонну

-       По оси А

Принимаем ФЛ 14.24

-       По оси Г

Принимаем ФЛ 16.24

-       По оси В

Принимаем ФЛ 16.24

Размеры подошвы фундамента подбирают: для ленточных фундаментов расчет ведется на 1 м длины, следовательно, ширину подошвы фундамента - b находят по формуле:

Для фундаментов, имеющих прямоугольную подошву (фундамент под колонну), предварительно задавшись соотношением сторон , ширину подошвы определяют по формуле

В курсовом проекте принимаем  - фундамент с квадратной подошвой.

Под колонну:

Принимаем размеры фундамента по колону 2700х2700х1050

3.3 Предварительное конструирование фундаментов

Ленточный фундамент состоит из бетонных блоков стен подвалов [13] и железобетонных фундаментных плит [14]. При конструировании фундамента рекомендуется применять сплошные бетонные блоки марки ФБС высотой 0,58 м, шириной 0,6 м (для фундаментов по осям А и Г, а также для фундаментов торцевых стен), шириной 0,5 м (для фундамента по оси В) и шириной 0,4 м (для поперечных стен).

Для зданий с колоннами квадратного сечения 400х400 мм разработаны одноблочные фундаменты марки 2Ф [15] Отметка верха подколонника назначается на 150 мм ниже отметки планировки поверхности земли.

Фундаментные плиты укладываются на выровненную поверхность песчаного основания или на слой предварительно утрамбованного песка средней крупности толщиной 100 мм (при прочих грунтах основания). Имеющиеся зазоры между фундаментными плитами заделывают бетоном, смотри рисунок 3.3. При этом площадь сечения рабочей (поперечной) арматуры в монолитных участках принимается эквивалентной арматуре сборных железобетонных фундаментных плит, а класс бетона равным.

Для обеспечения пространственной жесткости фундамента делается связь между продольными и поперечными стенами путем перевязки блоков и закладки в швы сеток из арматуры класса А-I диаметром 8 мм (рисунок 3.4). Сетки располагают в горизонтальных швах через один по высоте. Расстояние между вертикальными швами расположенных друг над другом блоков должно быть не менее 0,4 высоты блока в мало сжимаемых грунтах (Е > 10 МПа) и не менее высоты блока в сильно сжимаемых грунтах. Монтаж сборных элементов фундаментов ведется на цементном растворе М50 с толщиной швов 20 мм.

Для устройства вводов в здание коммуникаций и уменьшения числа типоразмеров фундаментных стеновых блоков в стенах фундаментов оставляют проемы шириной не более 0,6 м (при большей ширине проема он перекрывается перемычками), которые при необходимости заполняются кирпичом или бетоном. Проемы в углах здания не допускаются.

Вдоль наружных стен здания устраивается отмостка из водонепроницаемых материалов. Горизонтальная гидроизоляция выполняется в виде непрерывного горизонтального шва толщиной 20 мм из цементного раствора состава 1:2. Вертикальная поверхность фундаментных стен, соприкасающихся с грунтом, обмазывается горячим битумом за 2 раза.

.4 Определение расчётного сопротивления грунта и проверка прочности

Расчетное сопротивление грунта R₀, определенное ранее по таблицам, относится к фундаментам, имеющим ширину b₀ =1 м и глубину заложения d₀ =2 м. Поэтому после предварительного определения ширины фундамента следует уточнить расчетное сопротивление грунта основания R, кПа, с учетом фактических размеров фундамента

, (15)

где:  и  - коэффициенты условий работы, принимаемые по таблице 3.2 в зависимости от вида грунта, а также от конструктивной схемы и жесткости здания (кирпичные здания с малым шагом несущих стен имеют жесткую конструктивную схему);

k - коэффициент принимаемый равным 1 (прочностные характеристики грунта определены непосредственными испытаниями);

M_γ , M_q , M_c - коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения грунта, залегающего под подошвой фундамента, и принимаемые по таблице 3.3;

k_z - коэффициент принимаемый в курсовом проекте равным 1 (b<10м);

b - ширина подошвы фундамента, м;

γ_II - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м³;

γ'_II - осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше подошвы фундамента, кН/м³ (принять γ'_II = γ_bf = 16 кН/м³ - грунт обратной засыпки);

с_II - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента, кПа;

d_b - глубина подвала (расстояние от уровня планировки до пола подвала, м), для сооружений с подвалом шириной В £ 20 м и глубиной свыше 2 м принимается d_b = 2 м, при ширине подвала В > 20 м - d_b = 0;

В - ширина подвала (расстояние между центрами фундаментных стен образующих подвал);₁ - глубина заложения фундаментов бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала (смотри рисунок 3.5), определяемая по формуле

по оси В и Г:

где: h_s - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, 0,55 м;

h_cf - толщина конструкции пола подвала, м (h_cf = 0,15 м);

γ_cf - расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м³ (γ_cf = 22 кН/м³).

По оси А:

По оси В и Г:

Под колонну:

После предварительного подбора типовых элементов фундаментов определяют давления под подошвой фундамента.

В курсовом проекте центрально нагруженными считаются ленточные фундаменты. Величиной моментов от активного давления грунта и временной равномерно распределенной нагрузки на поверхность грунта пренебрегаем ввиду их малости. Давление под подошвой центрально нагруженного ленточного фундамента определяется по формуле

,

где: N_0II - вертикальная нагрузка на ленточный фундамент по заданию (приложение Б), кН/м;_fII - нагрузка от веса фундамента;_gII - нагрузка от веса грунта обратной засыпки на обрезах фундамен.;_kII - нагрузка от веса конструкции пола подвала;_qII - нагрузка от временной равномерно распределенной нагрузки q на поверхность прилегающего к зданию грунта (q=10 кН/м²);

b - ширина подошвы фундамента, м;

l = 1м - погонный метр длины ленточного фундамента.

По оси А:

По оси В:

По оси Г:

Максимальное и минимальное давление под подошвой внецентренно нагруженного фундамента колонны:

где: N_0II - вертикальная нагрузка на фундамент колонны по заданию (приложение Б), кН;

М_0II - момент действующий на фундамент колонны по заданию (приложение Б), кНм;- момент сопротивления площади подошвы фундамента, м³;- ширина подошвы фундаментного стакана, м;- длина подошвы фундаментного стакана, м (при квадратной подошве фундамента l = b).

Для центрально-нагруженного фундамента по осям А, В, Г должно выполняться условие:

-       По осям В и Г (соответственно)

272,3≤335,95

275,96≤335,95 условие выполняется

-       По оси А

306,6≤351,71

Для внецентренно нагруженного фундамента должны выполняться следующие условия:

р_max £ 1,2R 308,74 £ 435,912

р_min  0 189,86  0

р_ср = N'_II / А £ R 249,3 £ 363,26

.6 Расчет осадки основания фундамента под колонну

Осадка основания s с использованием расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства определяется методом послойного суммирования. Основное условие применимости к грунтам теории линейного деформирования заключается в том, чтобы напряжения по подошве фундамента находились в пределах первых двух фаз напряженного состояния грунта, т.е. соблюдалось условие р £ R.

Схема распределения вертикальных нормальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве приведена на рисунке 3.6. Обозначения, принятые на рисунке:

DL - отметка планировки;

NL - отметка поверхности природного рельефа;

FL - отметка подошвы фундамента;

WL - уровень подземных вод;

B.C - нижняя граница сжимаемой толщи;

d - глубина заложения фундамента от уровня планировки;

d_n - глубина заложения фундамента от поверхности природного рельефа;

b - ширина фундамента;

p - среднее давление под подошвой фундамента;

p₀ - дополнительное давление на основание;

σ_zg - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине z от подошвы фундамента;

σ_zg,0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы;

σ_zp - дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента;

σ_zp,0 - дополнительное вертикальное напряжение от внешней нагрузки на уровне подошвы;

Н_с - глубина сжимаемой толщи.

Основная задача при расчете осадки заключается в построении эпюр σ_zg , σ_zp и определении нижней границе сжимаемой толщи.

Эпюра σ_zg строится от отметки NL. Вертикальное напряжение от собственного веса грунта σ_zg на границе слоя, расположенного на глубине z от подошвы фундамента, определяется по формуле

, (25)

где γ' - удельный вес грунта, расположенного выше подошвы фундамента;

γ_i - удельный вес i-го слоя грунта;

h_i - толщина i-го инженерно-геологического слоя грунта;

n - количество слоев грунта.

Для обеспечения необходимой точности при подсчете осадок сжимаемая толща основания делится на элементарные слои, толщину которых h_i рекомендуется принимать из условия h_i £ 0,4b = 0,84 м

Для слоистого основания эпюра σ_zg имеет вид ломаной линии вследствие различных значений удельного веса отдельных пластов грунта, смотри рисунок 3.7.

Эпюра σ_zр строится от отметки FL. Дополнительные вертикальные напряжения на глубине z от подошвы фундамента по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, определяются по формуле

где α - коэффициент, определяемый по таблице 3.4 или по формуле (27) в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон прямоугольного фундамента η = l/b (l - длина фундамента) и относительной глубины

р₀ - дополнительное вертикальное давление на основание, определяемое по формуле (для фундаментов шириной b10 м принимается р₀ = р

р₀ = р - σ_zg,0 = 249,3-37,38=211,92 кН (28)

 - среднее давление под подошвой фундамента (принимается из расчетов подраздела 3.5);

σ_zg,0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента

Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубине z=H_c, где выполняется условие σ_zp = 0,2σ_zg

Если найденная по указанному выше условию нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е<5 МПа или такой слой залегает непосредственно ниже глубины z = H_c, нижняя граница сжимаемой толщи определяется исходя из условия

σ_zp = 0,1σ_zg.

Осадка основания определяется методом послойного суммирования по формуле

,

где β - безразмерный коэффициент, равный 0,8;

σ_zp,icp - среднее значение дополнительного нормального напряжения в i-м элементарном слое грунта, равное полусумме указанных напряжений на верхней z_i-1 и нижней z_i границах слоя σ_zp,icp = (σ_zp,i-1 + σ_zp,i )/ 2;

h_i - толщина элементарного i-го слоя грунта (h_i £ 0,4b);_i - модуль деформации элементарного i-го слоя грунта;

n - число элементарных слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

Таблица 3.5 - Подсчет осадки основания

Полученное значение осадки s сравнивается с предельным значением s_u, принимаемым в соответствии с приложением. Для многоэтажных бескаркасных зданий с несущими стенами из кирпичной кладки, без армирования s_u= 10 см, а с армированием s_u= 15 см.

s £ s_u .

,87 см< [s_u ]=10 cм Осадка считается допустимой

4. Проектирование свайных фундаментов

4.1 Анализ инженерно-геологических условий применительно к свайному фундаменту

Исходя из анализа прочностных характеристик грунтов в качестве несущего слоя свайного фундамента выбираем слой №3 (мелкий песок).

.2 Определение типа сваи

 принимаем сваю С 300´300мм L=4,5м, длина острия l_остр.=250мм.

.3 Определение параметров ростверка и глубины заложения сваи

Определяем высоту ростверка

по оси Г

 _p= -b/2 += - 0,15+0,5= 0,2 м

по оси В

h _p= -b/2 += - 0,15+0,5= 0,216 м

конструктивно принимаем h=0,3 м

Ростверк под колонну

h _p= -b/2 += - 0,2+0,5= 0,46 м

принимаем h=0,5 м

Определяем ширину ростверка

 _p = 2·(0,2b+5)+b= 2·(0,2·30+5)+30 = 52 см

принимаем b _p= 0,5 м

.4 Определение несущей способности свай по грунту и по материалу

Несущая способность висячей забивной сваи.

Р_отк = 60 т

Р_м = 90 т

g_c - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый g_c = 1;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа (тс/м²), принимаемое по таблице 9.1 3[1];

A - площадь опирания на грунт сваи, м², принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто или по площади поперечного сечения камуфлетного уширения по его наибольшему диаметру, или по площади сваи-оболочки нетто;

u - наружный периметр поперечного сечения сваи 0,09м;

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа (тс/м²), принимаемое по таблице 9.2 [1];

z₁ = 2,9 м

z₂ = 4,3 м

z₃ = 5,1 м

f₁ =48 кН/м²

f₂ =53 кН/м²

f₃ =56 кН/м²

_i - толщина 1-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

₁ =0,8 м

h₂ =2 м

h₃ =1,6м

g_cR g_cf - коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта и принимаемые по таблица 9.3 [1].

Нагрузка на одну сваю

по оси Г

по оси В

∑ N_В= N_0II l +N_qII + N_kII +N_gII + N_fII = (310∙1+62,88+42+2,31) =467,2 кН

Расчетная нагрузка N, передаваемая на одну свою, должна быть меньше или равна допускаемой расчетной нагрузке на свою.

N ≤

Расстояние между сваями принимаем 6d = 6*0,3=1,8 м (max)

проверяем условие 3d = 3*0,3=0,9 м (min)

 принимаем 1400 мм

 принимаем 1200 мм

.5 Определение числа свай и их размещение в ростверке

принимаем 4 сваи в кусте под колонной.

4.6 Определение усилий в сваях для внецентренно загруженных ростверков

После размещения свай в ростверке определяются усилия в них. Расчетная нагрузка N передаваемая на сваю, для фундаментов с вертикальными сваями определяется:

 = 447 кН < 600 кН

min = 135

Условие проверки выполняется.

Заключение

На выбор оснований и фундаментов кроме конструктивного решения зданий и сооружений большое влияние оказывают особенности строительной площадки и условия производства работ по устройству основания и возведению фундаментов.

В процессе разработки курсового проекта были преобретены навыки анализа инженерно-геологических условий строительной площадки, а также выработка практических навыков по проектированию оснований и фундаментов.

В курсовом проектировании было разработано два варианта фундаментов- фундамент на естественном основании и свайный.